土壤养分空间变异的影响因素研究

孟婷婷，魏 静

(1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西 西安 710075；2.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710075；3.国土资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室，陕西 西安 710075；4.陕西省土地整治工程技术研究中心，陕西 西安 710075)

1 土壤养分空间变异

土壤有碳、氮是土壤重要的组成部分，在土壤化学和物理过程中有很重要的影响，并且能通过矿化作用释放自身固有的可供植物利用的养分，它在自然生态系统和农业生态系统中占有很重要的地位[1]。近年来，土壤碳、氮库受到越来越多的关注，是因为它在全球碳循环和缓解或加剧大气中温室气体的浓度中占有重要作用。土壤养分储量和分布在全球尺度、国家地域尺度上都有研究，但缺乏完整的数据库以及对土壤养分空间异质性的研究。前人对中国大尺度有机碳，全氮等储量的估计通常建立在中国第二次全国土地调查的土壤数据上。这些估计是基于十几年前的就信息，后来可能发生了重大的变化，因此它不可能成为一个基准年。土壤养分含量每个地方各不相同，主要是在不同的空间尺度上受一系列环境因素的影响。目前土壤养分影响它含量的环境因素之间的关系在大尺上的研究还不充分。为了更好地了解土壤养分空间变异，用现代精密的测量方法和地统计学去更新区域尺度上有机碳、氮等养分的信息是有必要的。

空间变异一词，多用在地统计学中，随着20世纪一些专家把地统计学引用到土壤学中，越来越多的学者开始运用地统计学的手段来研究土壤的基本理化性质[2]。土壤养分空间变异的来源有地形因素如山地、丘陵、平原等，人为因素如耕作方式、施肥、田间管理，土壤自身母质因素等。此外，影响土壤养分空间插值准确性的因素还有采样设计，采样方式，采样数目，这就需要在采取土样时考虑到采样尺度及样点空间布局这两个关键因素。在研究土壤养分空间变异时，主要运用地统计学和经典统计学进行分析。经典统计学主要用于描述性分析，主要计算地统计学中的块金值、基台值、块金效应、变程、决定系数等值，来观测土壤养分的空间变异程度。并用地统计学中的克里金插值法进行空间养分空间的分布直观观测。本文对以前文献进行整理，形成直观的因素分析，为后面的研究者提供直观便捷的参考资料。

2 影响土壤养分空间变异的因素分析

2.1 地形

地形对土壤养分空间变异的影响多与自身土壤肥沃程度有关，可归结于土壤固有性质。如土地利用的改变，以黄土丘陵区园则沟小流域为例[3]，该流域有30年撂荒草地，7年撂荒草地、农地和枣园4种不同的土地利用类型，对其土壤有机碳，全氮和全磷含量空间变异的研究发现，30年撂荒草地上土壤有机碳和全氮空间变异性较高，而全磷含量空间变异较小。此外，不同的土壤母质也有一定的影响，如山地和丘陵地，以湖南省仁县的山地地形和丘陵区为例[4]，选取不同的采样密度，研究了土壤有机质、有效磷、速效钾和碱解氮含量的空间变异特征。同一采样密度下，丘陵区有效磷、速效钾和碱解氮含量的变异系数比山地区的小，有机质含量的变异系数比丘陵区的大。不同采样密度下，山地地区碱解氮含量、速效钾含量、有机质含量具有强烈的空间相关性；丘陵区有机质含量、碱解氮具有中等空间相关性，速效钾具有强烈的空间相关性。

2.2 采样尺度

采样尺度的大小，对土壤养分空间变异的影响尤其显著。小尺度下由于采样面积较小，海拔、经度、纬度差异较小以及其他环境因素影响不是很强烈，一般土壤养分空间变异较小；而大尺度下由于采样面积较大，一般涉及到的影响因素较为广泛，此时土壤养分空间的变异程度就大。以新疆生产建设兵团农六师芳草湖农场五分场为例[5]，研究了不同取样尺度下土壤有机质、全氮 和有效磷含量空间变异特征。结果表明，大比例尺下，土壤有机质含量、有效磷含量、全氮含量变异系数较小，在中小比例尺下变异系数较大。在大中小不同比例尺下，土壤有机质含量、有效磷含量、全氮含量都有较好的半方差结构，且在短距离内样点具有明显空间自相关性，随着距离增加，空间自相关逐渐减弱。由此，可分析得出，在大面积上也即中小比例尺下采样，土壤养分空间变异较大，具有强烈的空间自相关性，而在小面积上也即大比例尺上，土壤养分空间变异较小，具有明显的空间自相关性。

2.3 采样方式

采样方式有随机采样法和网格采样法，随机采样方法比较简单灵活，一般要求不高时，选择随机采样。网格法由于涉及网格密度和间距的合理确定以及研究区域的合理布置，一般很少采用。以新疆石河子国家科技园区棉花种基地研究区为例[6]，采用随机采样法和网格采样法进行采样，随机采样方式是根据研究区域的大小及地形情况，用GPS进行定位，人为随机定点取样；网格法采样的网格密度定为20 m ×20 m的间距。对土壤全量养分氮磷和速效养分氮磷钾进行插值分析。结果表明，与随机采样法相比，网格采样法中的土壤养分的空间变异结果能更好的反应研究区域的空间变异特征。虽然本研究中得出网格法采样的空间变异结果较好，这得益于研究区自身的优势，所以在实际应用中，尤其是对大面积农田采样时，随机采样法与网格采样法的土壤特性的空间分析较一致，应选取随机采样法采样，这样可以使采样的过程操作简便易行，提高效率。

2.4 采样间距

上述提到采样方式有随机采样和网格采样，当采用网格法取样时，采样间距的大小，也会对土壤养分变异程度有一定影响。以新疆石河子121团新兰农场研究区为例[7]，该研究采用大间距(100 m×100 m)内套中间距(50 m×50 m)，中间距内套25 m ×25 m小间距布点，三种取样间距进行网格取样，对土壤全量养分全氮，全磷和有机质进行了变异研究。结果表明，土壤全氮，全磷和有机质变异系数范围为10%～100%，属于中等变异，且同一土壤养分特征在不同取样间距下的平均值变化很小，说明不同取样间距对土壤全量养分的变异性影响较小，因此，在进行农田土壤全量养分空间变异分析时，采取100 m×100 m的取样间距即可满足取样数目精度要求，又可以科学地反映土壤的空间变异规律。

2.5 采样密度

采样密度也即采样数目，合理的采样数目对养分空间插值的准确性有着重要的意义。以中科院上海精准农业示范基地为例[8]，研究结果表明, 田间土壤养分合理取样数取决于养分要素自身空间变异程度和人们对数据精度的要求。若空间变异大、精度要求高则需要较多采样数,反之需较少样点数。极大多数养分要素的合理取样数较实际取样数有较大幅度减少,意味着可大幅降低采样及分析成本。

3 问题与展望

本文仅对现有的研究进行了梳理分析，地形因素只包含了山地与丘陵区的对比，其丰富度还不够，采样尺度仅仅分析了大中小比例尺下土壤养分空间插值结果的准确性，对于在大面积地块，大比例尺采样如何去设计，既能保证采样间距的合适，又能保证变异程度，这些还需要进一步查证与研究。

4 结语

本文以前人的研究为例，罗列了影响土壤养分空间变异的一系列因素。通过分析发现地形因素对土壤养分空间变异的影响是由于自身植被或母质的不同而造成的，与采样设计关系不是很密切。而土壤采样方式，采样间距，采样密度，以及采样尺度很大程度上是人为决定的，会有经验值与理论值的差异，对养分空间插值的影响较大。因此，在实际采样中，需要根据不同的实地条件来选择不同的采样方式、采样间距、采样密度，以及采样尺度，以保证土壤养分空间插值的准确性。